Terug in de melkweg

Over zo'n 50 miljard jaar zullen vrijwel alle sterrenstelsels uit het aardse zicht zijn verdwenen. Kosmologen zien dan alleen nog het melkwegstelsel.

De vooruitzichten voor het kosmologisch onderzoek worden steeds ongunstiger. Niet alleen in ons land, maar op de gehele aarde en ook overal elders in het heelal. Het zal in de toekomst steeds moeilijker worden om informatie over de bouw en evolutie van het heelal te vergaren en op den lange duur zullen astronomen alleen nog maar de meest nabije sterrenstelsels kunnen zien. Deze sombere vooruitzichten worden geschetst door astronomen die zich nu eens niet bekommeren om het almaar helderder worden van de nachtelijke hemel, maar om de effecten van de versnelde uitdijing van het heelal.

Al sinds zo'n driekwart eeuw is bekend dat het heelal uitdijt en wel op een zodanige manier dat de snelheid van die expansie groter is naarmate het betrokken stukje heelal verder van ons is verwijderd. De verste objecten in het heelal, die zich met bijna de lichtsnelheid van ons verwijderen, staan op afstanden van meer dan tien miljard lichtjaar. Dit verband tussen de snelheid van uitdijing en de afstand de wet van Hubble geldt niet alleen voor een waarnemer op aarde, maar voor iedere plek in het heelal. De aarde heeft geen voorkeurspositie.

Tot voor kort was niet duidelijk of de huidige uitdijing tot in de eeuwigheid zou doorgaan, of geleidelijk zou afnemen en misschien zelfs overgaan in een contractie. Vier jaar geleden werd ontdekt dat het eerste het geval lijkt te zijn en werden zelfs aanwijzingen gevonden voor een geleidelijke versnelling van de uitdijing. Verre sterrenstelsels bewegen sneller van ons (en van elkaar) vandaan dan ze volgens de wet van Hubble zouden moeten doen. Deze versnelde expansie wijst op de invloed van een soort `donkere energie', de kosmologische constante, en impliceert dat sterrenstelsels slechts een bepaalde tijd zichtbaar zijn.

In een heelal dat met constante of afnemende snelheid uitdijt, zou alles wat nu zichtbaar is altijd zichtbaar blijven. De afstanden zouden weliswaar groter worden en de helderheden kleiner, maar het licht van de ouder wordende objecten zou ons altijd weten te bereiken. Bij een versnelde uitdijing neemt de vluchtsnelheid van sterrenstelsels echter geleidelijk toe, om op een bepaald moment de lichtsnelheid te bereiken. De straling van die stelsels kan ons dan nooit meer bereiken en we zullen nooit weten wat er verder met hen gebeurt.

donkere energie

Astronomen gaan er momenteel van uit dat het heelal nu voor zo'n dertig procent wordt beheerst door de aantrekkende kracht van materie (stralend en donker) en voor zo'n zeventig procent door de afstotende kracht van de mysterieuze `donkere energie'. Dit impliceert dat deze laatste de eerste begon te overheersen toen het heelal de helft van zijn huidige leeftijd had, dus ongeveer 7 miljard jaar geleden. Al vóór het ontstaan van het zonnestelsel begon de expansie van het heelal te versnellen.

Abraham (Avi) Loeb, een theoretisch astrofysicus van de universiteit van Harvard (VS), heeft berekend dat de verste lichtbronnen die we nu zien, quasars op afstanden van 12 tot 13 miljard lichtjaar, over zo'n 4 miljard jaar uit het zicht zijn verdwenen. Objecten die dichterbij staan blijven langer zichtbaar omdat ze meer tijd nodig hebben om de lichtsnelheid te bereiken, maar over een slordige 50 miljard jaar zullen vrijwel alle sterrenstelsels uit het zicht zijn verdwenen. Dat is naar kosmische maatstaven een vrij korte tijd: vele sterren zijn dan nog lang niet opgebrand en ook ons melkwegstelsel zal nog bestaan (Physical Review D, 15 februari).

Het verdwijnen van een sterrenstelsel gebeurt overigens niet zoals een schip dat achter de horizon doet. Bij het naderen van de lichtsnelheid neemt de golflengte van de straling van het stelsel als gevolg van relativistische effecten zeer snel toe, waardoor de schijnbare helderheid afneemt. Dit laatste heeft tot gevolg dat het stelsel uiteindelijk niet meer te zien is, maar door het effect van de tijddilatatie ziet een waarnemer het nooit `voorgoed' verdwijnen.

`Wanneer we instrumenten zouden hebben die zo gevoelig waren dat we de sterrenstelsels almaar konden blijven volgen, zouden we alle materie in het zichtbare heelal uiteindelijk een membraan aan de waarnemingshorizon zien vormen', aldus de IJslandse theoretici Einar Gudmunsson en Gunnlaugur Björnsson in de Astrophysical Journal van 20 januari. `Dit komt overeen met wat een waarnemer op grote afstand van een zwart gat zou zien wanneer hij stralende materie in dit gat ziet vallen.' Hij ziet het oneindig lang steeds langzamer bewegen en zwakker worden: het beeld ervan `bevriest' en dooft uit.

lokale groep

Met het verdwijnen van de sterrenstelsels verdwijnt ook de informatie die kosmologen nodig hebben om zich een beeld te kunnen vormen van het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal. Over zo'n 50 miljard jaar zullen de dan levende wezens alleen nog de sterrenstelsels zien die deel uitmaken van de Lokale Groep en enkele omringende clusters. Die stelsels, die een gebied met een straal van ongeveer 30 miljoen lichtjaar bestrijken, trekken elkaar zo sterk aan dat de expansie van de ruimte er vrijwel geen vat op heeft. Voorbij deze stelsels valt echter niets meer te zien.

Volgens de berekeningen van Loeb en anderen zal de `grens' van het heelal in die tijd op een vaste afstand van 17 tot 18 miljard lichtjaar liggen. Deze grens is de afstand waarop de expansie de lichtsnelheid heeft. Hoewel die grens in de verre toekomst dus nog wat verder ligt dan de 14 miljard lichtjaar van nu, zullen de dan levende kosmologen geen weet van die grens hebben omdat er geen objecten meer zijn om de uitdijing van het heelal op het spoor te komen: het heelal lijkt statisch omdat alle informatie over de expansie achter de waarnemingshorizon is verdwenen.

Het terugkijken in de kosmische tijd zoals astronomen nu doen door sterrenstelsels op steeds grotere afstanden en dus in een steeds vroeger stadium van ontwikkeling te bestuderen is er in de verre toekomst niet meer bij. Geen enkele kosmoloog zal nog empirische informatie over het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal kunnen vergaren. Het wereldbeeld van de toekomstige kosmologen zal steeds meer gaan lijken op dat van hun negentiende-eeuwse voorgangers: een statisch heelal waarin ons melkwegstelsel centraal staat. De kosmologie is uiteindelijk weer terug bij af.